Устроен насос был следующим образом. Внутри цилиндрического корпуса находилась герметичная камера, в которой в вертикальном направлении перемещался поршень. Сначала поршень был опущен, и поэтому в камере не было воздуха. На первой стадии кузнец должен был поднять поршень. Камера была соединена с медной сферой через трубку, поэтому воздух из сферы мог перетекать в камеру. Для наглядности давайте предположим, что в начале эксперимента внутри сферы было 800 молекул воздуха (что, конечно же, невероятно мало, но мне нравится это красивое круглое число). Когда поршень достиг верхнего положения, примерно половина молекул воздуха перешла из сферы в цилиндр: 400 осталось в сфере, 400 оказалось в цилиндре.

Дальше следовала ключевая стадия. Герике перекрыл клапан на сфере и открыл другой, расположенный на насосе, а затем просто опустил поршень, так что 400 молекул из камеры вышли наружу. В результате этой процедуры Герике откачал из сферы половину находившегося в ней изначально воздуха.

Важно, что при этом инструмент вернулся в исходное положение — с опущенным поршнем. Можно было открыть клапан на сфере и повторить процесс. В этот раз из сферы в насос вновь перешла половина молекул (200 из 400). Перекрыв клапан на сфере, можно было вновь опустошить камеру насоса, выбросив наружу 200 молекул воздуха. В следующем цикле из сферы было удалено еще 100 молекул, потом 50 и т. д. Каждый раз кузнецам было все труднее поднимать поршень, но каждый раз из сферы удалялась половина оставшегося воздуха.

По мере опустошения сферы давление внешнего воздуха на нее усиливалось. Объясняется это тем, что снаружи о поверхность сферы постоянно ударялось огромное количество молекул воздуха. Конечно, каждая молекула имеет крошечный размер, но все вместе они оказывают гигантское давление. В обычном состоянии давление воздуха изнутри уравновешивает давление снаружи. Но по мере выкачивания воздуха из сферы неравенство давлений усиливалось, и под действием внешнего давления полусферы прижимались друг к другу все сильнее и сильнее. Учитывая размер сферы, при приближении к вакууму эта сила достигла примерно 25 000 ньютонов. Герике не знал всех этих подробностей, и мы не знаем, как близко он смог подобраться к состоянию истинного вакуума. Но после взрыва первой медной сферы он осознавал неимоверную силу воздуха, которая, по его мнению, превышала силу тридцати лошадей.

Когда кузнецы удалили весь воздух (и исчерпали свои силы), Герике отсоединил сферу от насоса, продел веревку через кольца с каждой стороны и привязал к лошадям. Толпа затихла. Быть может, какая-то девушка подбросила и уронила шелковый платок. Канаты натянулись, сфера задрожала. Лошади храпели и били копытами; на их шеях вздулись вены. Но сфера не поддалась — лошади не смогли разделить ее на две половинки. Когда эксперимент окончился, Герике взял сферу и открыл пальцем клапан. Пшшшш. Воздух заполнил сферу, и через секунду она распалась на две части в руках экспериментатора. Совершить подобное чудо — как вынуть меч из камня — по плечу только избранным. Фокус в такой степени поразил императора, что вскоре он присвоил Отто Герике дворянский титул, превратив его в Отто фон Герике.[27]

Эксперимент по «четвертованию» сферы, осуществленный Отто фон Герике из Магдебурга (Рисунок любезно предоставлен фондом Wellcome Trust)

В последующие годы фон Герике и его помощники выполнили и другие невероятные эксперименты, связанные с вакуумом и давлением воздуха. Они выяснили, что, если из стеклянного сосуда удалить воздух, колокольчик в нем не звенит, доказав тем самым, что для передачи звука необходим воздух. Они также выяснили, что в вакууме раскаленный железный нож не расплавляет масло и, следовательно, в вакууме нет конвекции тепла. Они повторили опыт со сферой в разных местах, распространяя открытие фон Герике о невероятной силе воздуха. Среди всех достижений фон Герике именно это открытие оставило самый глубокий след в истории. Обычное атмосферное давление на уровне моря составляет около 1 кг/см². Возможно, эта цифра вас не впечатляет, однако в пересчете на квадратный фут это давление достигает тонны. И такое давление испытывают на себе не только медные полусферы: на тело взрослого человека постоянно воздействуют 20 т силы. Мы не чувствуем этого неимоверного груза по той причине, что он уравновешен давлением изнутри нашего организма. Но даже если мы знаем о существовании такого равновесия, ситуация все равно кажется ненадежной. Теоретически известно, что лист алюминиевой фольги не прорвется, если на него с двух сторон с одинаковым напором лить воду из пожарных шлангов, но кто захочет рисковать? Вот так же наша кожа и органы находятся в очень шатком положении между двумя мощными силами.

К счастью, ученые не убоялись этой мощи. Они усвоили преподнесенный фон Герике урок о том, что газы обладают невероятной силой, и извлекли из него новые идеи. В каких-то случаях это были практические решения, например создание парового двигателя. В других случаях эти идеи послужили для развлечений, в частности для запуска воздушных шаров. А некоторые идеи, такие как производство взрывчатых веществ, оказались смертельно опасными. Но все эти приложения были основаны на использовании физической силы газов.

Промышленная революция началась со сломанной игрушки. В конце 1750-х гг. Университет Глазго нанял угрюмого мастера по имени Джеймс Уатт для создания и обслуживания демонстрационного оборудования. Одна из возложенных на него задач заключалась в починке уменьшенной копии парового двигателя Ньюкомена, который служил для откачки воды из угольных шахт. Это демонстрационное устройство пятидесятисантиметровой высоты было сделано из латуни и никогда толком не работало. Профессор, который пользовался им в классе, попросил Уатта починить неудачную игрушку, но чем больше Уатт исследовал этот маленький паровой двигатель, тем лучше понимал, как его усовершенствовать. Эта задачка превратилась в дело всей его жизни.

Люди очень давно используют воду в механических целях*, однако пар почти не находил применения в промышленности до тех пор, пока в 1606 г. англичанин Томас Севери не придумал устройство в помощь шахтерам из Корнуолла. В Корнуолле было много олова и других полезных ископаемых, но даже самые неглубокие шахты неизбежно затопляла вода. Воду откачивали ведрами с помощью гигантского колеса, которое крутили десятки лошадей или волов, — это была медленная, тяжелая и дорогая работа. И вот Севери придумал машину, которая могла выполнять эту работу вместо лошадей. Машина состояла из двух частей: вакуумного насоса, как у фон Герике, — для выдавливания воды на поверхность, и второго насоса, который поднимал воду еще выше с помощью сжатого пара. Рекламируя свое изобретение, Севери назвал его «другом рудокопов», как будто это была собака. Однако устройство больше походило на дракона: в высоту оно достигало нескольких метров, а в животе у него бушевало пламя. При оформлении патента Севери дал своему изобретению почти мифическое название: «Устройство для подъема воды с помощью огня».

«Друг рудокопов» работал эффективнее волов и лошадей, но тоже имел недостатки. Прежде всего вакуумный насос Севери не мог поднимать воду на высоту более 10 м. Причина этого недостатка связана с принципом работы вакуумного насоса. В то время считалось, что вакуумный насос поднимает воду за счет того, что каким-то образом ее всасывает. Но это не так. Технически вакуум не может ничего поднять или всосать — подумайте о том, что такое вакуум! В вакууме нет буквально ничего, так как же он может обладать силой или совершать работу? На самом деле происходит вот что: когда вы удаляете из вакуумной камеры весь воздух, жидкость, которая давит извне, больше не встречает никакого сопротивления. В результате она переливается в пустое пространство. Таким образом, вакуумный насос не выдавливает жидкость — он просто позволяет ей занять свободный объем.